RS-232多串口扩展器件SP2538及其应用
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关键词：RS-232；串口扩展；单片机；SP2538
１ 概述
ＳＰ２５３８是专用低功耗串行口扩展芯片，该芯片主要是为解决当前基于ＵＡＲＴ串口通信的外围智能模块及器件较多，而单片机或ＤＳＰ原有的ＵＡＲＴ串口又过少的问题而推出的。利用该器件可将现有单片机或ＤＳＰ的单串口扩展至５个全双工串口。与其它具有多串口的单片机或串口扩展方案相比，采用ＳＰ２５３８实现的多串口扩展方案，具有扩展串口数量多、对扩展单片机的软硬件资源占用少、使用方法简单、待扩展串口可实现较高的波特率、成本低廉、性价比高等优点。同时，它还具有如下特点：
●可将单ＵＡＲＴ串口扩展为５个ＵＡＲＴ串口；
●工作速率范围宽，５个子串口可产生２４００ｂｐｓ～９６００ｂｐｓ之间的任意波特率；
●可全双工工作，母串口和所有子串口都支持全双工ＵＡＲＴ传输模式；
●工作电源电压范围宽：３．３Ｖ～５．５Ｖ；
●典型工作电流为４．６ｍＡ(子串口速率为９６００ｂｐｓ、ＶＣＣ为３．３Ｖ时)；
●资源占用少，除占用上位机原有串行口中断外，不占用任何中断资源；
●具有节电模式，进入节电模式后，其典型静态电流约８μＡ；
●上位机发送数据可自动唤醒；
●输出误差小，所有子串口的输出波特率误差均小于０．０８％；
●误码率低于１０－９（所有串行口数据输入波特率误差小于等于±２％）；
●接收范围宽，波特率误差小于２．５％时，子串口即可完全正确接收；母串口的接收范围更宽，并可自适应５６０００ｂｐｓ和５７６００ｂｐｓ两种标准波特率（ｆｏｓｃ—ｉｎ 为２０．０ＭＨｚ时）；
● 可用上位机进行监控，并具有上电复位和看门狗监控输出，适用于没有看门狗或需要更多重监控的高可靠上位机程序监控系统。
２ 引脚功能
ＳＰ２５３８具有双列直插ＤＩＰ及双列贴片ＳＯＩＣ两种封装形式。后缀为ＳＰ２５３８ｘｘＨ的复位时输出高电平而后缀为ＳＰ２５３８ｘｘＬ的复位时输出低电平，可分别适用高、低电平复位的单片机。图１给出了ＤＩＰ封装高电平复位ＳＰ２５３８ＤＰＨ的外形及引脚排列图，各引脚的功能说明列于表１。
表1 SP2538引脚说明
| 引脚名称 | 引脚编号 | 引脚类型 | 引 脚 描 述 |
| TX5～TX0 | 1、3、5、7、9、14 | Output | 串口5～串口0数据发送（连接上位机RX口） |
| RX5～RX0 | 2、4、6、8、10、13 | Input | 串口5～串口0数据接收（连接上位机TX口） |
| VCC1 | 11 | - - - | 电源1（逻辑电路电源） |
| +RST | 12 | Output | 复位控制输出（适用于高电平复位的MCU） |
| VCC2 | 15 | - - - | 电源2（时钟电路电源） |
| GND | 16 | - - - | 电源地 |
| OSCI | 17 | Input | 时钟输入（用于波特率发生器等） |
| OSCO | 18 | Output | 时钟输出 |
| ADRI0～ADRI2 | 19～21 | Input | 母串口（RX5）数据接收地址0～2 |
| ADRO0～ADRO2 | 22～24 | Output | 母串口（RX5）数据发送地址0～2 |
３ 应用说明
３．１ 母串口收发数据过程与时序
（１）上位机接收来自母串口的数据
上位机从母串口接收到一个字节数据后，会立即读取ＳＰ２５３８的输出地址ＡＤＲＯ２～ＡＤＲＯ０（编码方式为：８－４－２－１码），然后根据输出地址的编码即可判断接收到的数据来自哪个子串口，上位机接收来自母串口的数据时序如图２所示。
（２）上位机向母串口发送数据
发送数据时，上位机首先通过串口写入欲发送数据的子串口号，即先由上位机的串口发送数据地址ＡＤＲＩ２～ＡＤＲＩ０（编码方式：８－４－２－１码），然后将欲发送的数据由上位机串口发出。需要注意的是：母串口的波特率是子串口的６倍，即上位机在连续向母串口发送６个字节的时间内，子串口才能发送完一个字节。上位机向母串口发送数据的时序如图３所示。表２列出了ＳＰ２５３８的操作时限要求。
表2 SP2538操作时限
| 时限内容 | 说 明 | 最 小 值 | 典 型 值 | 最 大 值 |
| Tpwr-up | 上电复位延时 | 150ms | … | … |
| Treset | 芯片指令复位时间 | … | … | 50μs |
| Twdt-rst | 看门狗溢出复位脉冲宽度 | 80ms | … | … |
| Taddr-in | 数据接收地址保持时间 | 10ns | … | … |
| Twake-up | 芯片唤醒延时 | … | … | 9ms |
| Taddr-hold | 数据发送地址保持时间 | （2/fosc-in）ms | … | … |
| Twdt-over | 看门狗溢出周期 | 800ms | … | … |
３．２ 其它说明
母串口和所有子串口内部均具有独立的数据发送缓冲存储器（ＦＩＦＯ Ｂｕｆｆｅｒ）和接收缓冲存储器（ＦＩＦＯ Ｂｕｆｆｅｒ），所有的ＲＳ２３２串行口都支持全双工异步传输模式，即所有串行口都可以同时独立接收和发送数据，且不会丢失任何数据。
母串口波特率由Ｋ１＝２８８０ ｆｏｓｃ－ｉｎ计算，其单位为ＭＨｚ，且ｆｏｓｃ—ｉｎ小于２０．０Ｈｚ。在ＳＰ２５３８输入时钟ｆｏｓｃ—ｉｎ为２０．０ＭＨｚ时，母串口可自动适应上位机的５６０００ｂｐｓ和５７６００ｂｐｓ两种标准波特率输入，即ｆｏｓｃ—ｉｎ为２０．０ＭＨｚ时，上位机的ＲＳ２３２波特率可以设置成５６０００ｂｐｓ或５７６００ｂｐｓ。子串口波特率为：Ｋ２＝４８０ ｆｏｓｃ—ｉｎ 。
母串口和所有子串口都是ＴＴＬ电平接口，可直接与单片机或ＴＴＬ数字电路接口，若需连接ＰＣ机，则必须增加电平转换芯片，如ＭＡＸ２０２，ＩＣＬ２３２等。
ＳＰ２５３８具有内置的上电复位电路和可关闭的看门狗监控电路，用于监控上位机程序是否正常运行，同时也可以简化上位机复位电路的设计。上位机写命令字“０ｘ１０”可实现喂狗，而写命令字“０ｘ１５”则可关闭看门狗（初次上电后，看门狗处于激活状态），写命令字“０ｘ２０”可激活看门狗监控功能。
上位机可通过芯片复位指令（命令字为“０ｘ３５”）在任何时候对芯片进行指令复位（复位时间Ｔｒｅｓｅｔ小于５０μｓ）。
图2和图3
上位机可通过芯片睡眠指令（命令字为“０ｘ５５”）使芯片在任何时候进入微功耗睡眠模式，以降低系统功耗。初次上电后，芯片不会自行进入睡眠模式。应当注意的是，只能由上位机发送任意一个字节数据将其唤醒，而其它所有子串口均不能将其唤醒。
未使用的输入端口（如：ＲＸ０、ＲＸ１、ＲＸ２…等）必须连接到ＶＣＣ，未使用的输出端口（如：ＴＸ０、ＴＸ１、ＴＸ２…、ＡＤＲＯ０、ＡＤＲＯ１…等）必须悬空。
４ 应用实例
ＳＰ２５３８的应用领域包括数据采集、工业控制、仪器仪表、智能家电、医疗设备、税控加油机、商业ＰＯＳ机、家庭安防控制、车辆监控和调度、ＧＰＳ卫星定位与导航、有线及无线数据传输、基于ＰＣ机的多串口卡、水、电、气表抄表系统、室外多媒体电子广告以及其它对通信稳定性、成本和开发周期要求比较严格的各种应用和工业ＭＯＤＥＭ阵列等方面。
４．１ 应用电路
利用ＳＰ２５３８可将仅有一个ＵＡＲＴ串口的单片机扩展为具有５个ＵＡＲＴ串口的单片机。图４以常用的ＡＴ８９Ｃ５２单片机为例给出了相应的串口扩展电路。图中，ＡＴ８９Ｃ５２的全双工串口与ＳＰ２５３８的母串口５相连。该串口５同时也作为命令／数据口。ＳＰ２５３８的ＡＤＲＩ０、ＡＤＲＩ１、ＡＤＲＩ２分别与ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ２．３、Ｐ２．４、Ｐ２．５口相连，可用于选择发送数据时的相应串口０～４，ＡＤＲＯ０、ＡＤＲＯ１、ＡＤＲＯ２与ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ２．０、Ｐ２．１、Ｐ２．２口线相连，可用于判别接收的数据来自串口０～４的哪一个。ＳＰ２５３８的时钟频率可选为２０ＭＨｚ，此时母串口５的波特率为５７６００ｂｐｓ，串口０～４的波特率为９６００ｂｐｓ。
４．２ 应用程序
下面是与上述硬件电路相关的接口程序，该程序用Ｃ５１语言编制，程序分为上位机发送、接收中断服务程序和主程序两部分。
ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｔ_ｂｕｔ[８];?
ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｓｅｎｄ_ｂｕｆ[８];
ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｒ_ｂｕｔ
ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ
ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ_ｐｏｒｔ_ｎｕｍ,ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ_ｎｕｍ,ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔ-ｅｒ?
ｂｉｔ ｂｄａｔａ ｗｒｉｔｅ ｓｕｃｃｅｓｓ,ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ;
ｂｉｔ ｂｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｒｅｃｅｉｖｅ
ｓｂｉｔ ＡＤＲＩ_０＝Ｐ２＾０;
ｓｂｉｔ ＡＤＲＩ_１＝Ｐ２＾１;
ｓｂｉｔ ＡＤＲＩ_２＝Ｐ２＾２;
ｓｂｉｔ ＡＤＲＯ_０＝Ｐ２＾３;
ｓｂｉｔ ＡＤＲＯ_１＝Ｐ２＾４;
ｓｂｉｔ ＡＤＲＯ_２＝Ｐ２＾５;
ｓｅｒｉａｌ()ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ４ ｕｓｉｎｇ３{ ／／上位机ＲＳ２３２接收、发送中断入口
ｉｆ(ＲＩ){?
ＲＩ＝０;
Ｓｗｉｔｃｈ(Ｐ２＆０ｘ０７){
ｃａｓｅ
ｕａｒｔ０_ｒ_ｂｕｆ＝ＳＢＵＦ
ｕａｒｔ０_ｒｅｃｅｉｖｅ＝１
ｂｒｅａｋ;
}
ｅｌｓｅ {
ＴＩ＝０;
ｓｗｉｔｃｈ(ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔｅｒ){
ｃａｓｅ
ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔｅｒ＋＋;
ｉｆ(ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ){
ＡＤＲＯ_０＝０;
ＡＤＲＯ_１＝０;
ＡＤＲＯ_２＝０;
Ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ－－;
ＳＢＵＦ＝ｕａｒｔ０_ｔ_ｂｕｆ[ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ]
ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝１
ｂｒｅａｋ;
}
ｅｌｓｅｉｆ(ｕａｒｔ１_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ｜ｕａｒｔ２_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ｜ｕａｒｔ３_ｓｅｎｄ＿ｎｕｍ｜ｕａｒｔ４_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ)
{
ＡＤＲＯ_０＝０
ＡＤＲＯ_１＝０
ＡＤＲＯ_２＝０
ＳＢＵＦ＝０ｘ００
ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝１
ｂｒｅａｋ;
}
ｅｌｓｅ {ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝０;ｂｒｅａｋ;}
}
注： ｃａｓｅ１：…
ｃａｓｅ２：…
ｃａｓｅ３：…
ｃａｓｅ４：…
除地址不同外其余同ｃａｓｅ０。
Ｖｏｉｄ ｕａｒｔ_ｓｅｎｄ(ｕｎｃｈａｒ ｕａｒｔ_ｐｏｒｔ_ｎｕｍ,ｕｃｈａｒ ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ ｎｕｍ){
ｕｃｈａｒ ｉ
ｓｗｉｔｃｈ（ｕａｒｔ_ｐｏｒｔ_ｎｕｍ）“
ｃａｓｅ
ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ_ｎｕｍ；ｉ＋＋）{
ｕａｒｔ０_ｔ_ｂｕｆｆ[ｉ]＝ｓｅｎｄ_ｂｕｆ[ｉ];?
}
ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ＝ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ_ｎｕｍ;
ｗｒｉｔｅ_ｓｕｃｃｅｓｓ＝１;
ｉｆ（ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝＝０）{
Ｔ１＝１;
ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔｅｒ＝０;
ｂｒｅａｋ；
}
ｅｌｓｅ{ｂｒｅａｋ;}?
}
注： ｃａｓｅ１：…
ｃａｓｅ２：…
ｃａｓｅ３：…
ｃａｓｅ４：…
除地址不同外其余同ｃａｓｅ０。
ｍａｉｎ(){
ＴＭＯＤ＝０ｘ２０；
ＴＨＩ＝０ｘｆｆ；
ＴＣＯＮ＝０ｘ４０；
ＳＣＯＮ＝０ｘ５０；
ＰＣＯＮ＝０ｘ８０； ／／波特率加倍
ＩＥ＝０ｘ９０；
ＰＩ＝０；
ｗｈｉｌｅ（１）“?
ｓｅｎｄ_ｂｕｆ[０]＝０ｘ３１;
ｗｒｉｔｅ_ｓｕｃｃｅｓｓ＝０;
ｉｆ(!ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ){
ｕａｒｔ_ｓｅｎｄ(０,４)
}
}
}
５ 结束语
近年来，以单片机为核心构成的具有ＵＡＲＴ接口的智能仪器仪表及智能模块不断涌现，此类产品可方便地与单片机构成分布式系统。另一方面，系统中的单片机也要与上位计算机之间进行通信，从而构成二级分布式系统。ＳＰ２５３８的出现为此类多串口应用领域提供了一个良好的解决方案。
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